導電塑料在航天領域的應用展望

劉艷麗，井元良，石海平，劉奕宏

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

塑料因其性能多樣、成本低、易加工的特點而得到廣泛應用，而導電塑料的發明使得塑料從絕緣體跨入導體和半導體的行列，衍生出塑料薄膜屏蔽層、塑料芯片、塑料太陽電池、塑料蓄電池等產品。這些高性能、低成本產品的出現為航天產品的輕小型化開辟出新的發展方向。

本文在簡述導電塑料的概念和原理的基礎上，對導電塑料的衍生產品在航天領域的未來應用進行探討，提出我國航天器塑料化的發展建議。

1 導電塑料的原理

2000年12月12日，瑞典皇家科學院把諾貝爾化學獎頒發給日本筑波大學名譽教授白川英樹和他的2 個歐美同行，理由是“發明并研制出了導電塑料”。歷來被視為絕緣體的塑料，因這一發明 而具有了絕緣體、半導體和導體3 種特性。

導電塑料是利用塑料基體與導電填料組成海島結構復合體系，依靠量子力學隧道效應使得電子具有在粒子間的躍遷能力，再通過塑料的加工方式加工成型的功能型高分子材料。導電塑料在不改變原有塑料材料的一些基本性能的同時，用導電材料的分子搭起一座可以供電子通過的“橋梁”，使得塑料具有導電性，且可通過調整導電材料的比例改變塑料的導電率，成為同時具備絕緣體、半導體和導體3 種狀態的新型材料[1]。

導電塑料中的導電填料一般選用金屬纖維、導電碳纖維、碳納米管、導電石墨、金屬合金填料等，常用的塑料基體包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、乙烯共聚物、尼龍和高性能熱塑性塑料合金等。

復合型導電塑料的電阻率隨導電填料體積分數的變化是不連續的，如圖1所示：在材料制備的特定溫度下，導電填料體積分數增加到特定值時，材料的電阻率會發生突變，表明此時導電粒子在聚合物基體中的分散狀態發生了突變，即導電粒子在聚合物中形成了滲濾網絡，導電填料的這一臨界體積分數稱為滲濾閾值。另外，在某些復合型導電塑料中，量子力學隧道效應對材料的導電行為影響較大。大部分導電塑料的導電性能是靠導電網絡的形成，即電子在粒子間的躍遷造成的，而不是靠導電粒子直接接觸。復合型導電塑料的等效電路模型如圖2所示[2]。

圖1 導電填料體積分數與導電塑料電阻率的關系示意Fig.1 The relation between the resistivity and the filling proportion

圖2 導電塑料的等效電路模型Fig.2 Circuit model of the conductive plastics

2 導電塑料在航天領域的可能應用

2.1 導電塑料替代金屬屏蔽材料

隨著航天技術的快速發展，更多先進的高集成度電氣和電子設備將應用于航天領域的各個方面。與地面電子設備（例如移動電話、平板電腦和家用電器）的發展道路相類似，系統的集成度發展到一定階段，系統內部和系統間的電磁兼容性問題將從次要矛盾逐漸轉變為主要矛盾。為解決電磁波輻射泄漏和干擾問題，須采用電磁屏蔽材料進行屏蔽。目前航天器的屏蔽手段主要是應用金屬及其復合物作為屏蔽材料，例如航天器屏蔽電纜屏蔽層的材料為銅鍍銀，電子設備的電磁屏蔽外殼采用鋁合金。這些材料雖然具有很好的屏蔽效能，但存在物理彈性有限、質量大、加工難度大、價格高、屏蔽 效能不可調等缺點。在航天器材料選取過程中，質量大小往往成為首先需要考量的因素。例如，屏蔽電纜的單位長度質量是非屏蔽電纜的3～4 倍，使得航天器設計中往往限制屏蔽電纜的使用，從而為航天器的電磁兼容性埋下隱患。而導電塑料具有良好的電磁屏蔽性能，且具有密度小、韌性好、成本低、易于加工、屏蔽性能可調節的優點，是金屬屏蔽材料的潛在替代品。

電磁屏蔽即控制電磁波從某一區域向另一區域的輻射傳播。電磁屏蔽通常采用低電阻的導體材料，其對電磁能流具有反射和引導作用，在內部產生與源電磁場相反的電流和磁極化場，從而減弱源電磁場的輻射效果。如圖3所示，當電磁波遇到屏蔽材料時，將產生反射、吸收和透射。

圖3 電磁屏蔽原理示意Fig.3 The schematic diagram of electromagnetic shielding

可用屏蔽能效SE（dB）來表征屏蔽材料對電磁波噪聲的衰減程度[3]，其定義為屏蔽前與屏蔽后的電磁波噪聲信號功率之比，用公式表示為

式中：F為屏蔽前噪聲信號的功率，W；F′為屏蔽后噪聲信號的功率，W。

工程應用中，通常按照Schelkunoff 電磁屏蔽理論，將屏蔽材料的屏蔽能效按

計算。式中：R為電磁波的反射損耗，dB；A為電磁波的吸收損耗，dB；B為電磁波在屏蔽材料內的傳輸損耗，dB。當吸收損耗大于10 dB 時，則傳輸損耗可忽略不計，此時式(2)可簡寫為[3]

式中：f為電磁波的頻率，Hz；μ為屏蔽材料的相對磁導率，H/m；σ為屏蔽材料的相對電導率，S/m；t為屏蔽材料厚度，m。

由式(3)可知，在電磁波頻率一定的情況下，屏蔽材料的電導率和磁導率是影響其屏蔽能效的主要因素。對于電導率高的材料，如電纜網的屏蔽材料為銅鍍銀，則反射是屏蔽的主要作用；而對于磁導率較高的材料，例如填充不銹鋼纖維的導電塑料，吸收是屏蔽的主要作用。

按屏蔽能效值的大小可將電磁屏蔽材料分為以下幾類：SE=0～10 dB，無電磁屏蔽作用的材料；SE=10～30 dB，低電磁屏蔽材料；SE=30～60 dB，中電磁屏蔽材料；SE=60～90 dB，高電磁屏蔽材料；SE=90 dB 以上，具有最佳電磁屏蔽作用的材料。一般認為，常規電子器材電磁屏蔽的材料，當電磁波頻率在30～1000 MHz 范圍內，其屏蔽能效達到35 dB 即具有有效屏蔽作用。航天用屏蔽電纜網的屏蔽能效一般在70 dB 以上。表1和表2為一些導電塑料的電磁屏蔽性能和力學特性[4-7]。

表1 不同導電塑料的電磁屏蔽性能Table 1 The electromagnetic shield of different conductive plastics

表2 導電塑料的力學特性Table 2 The mechanical properties of conductive plastics

根據表1和表2可知，目前，導電塑料的屏蔽能效已經同金屬屏蔽材料相差無幾，并且導電填料的添加對塑料本身的力學性能影響很小，因此導電塑料可作為航天器部分金屬材料的替代品。表3列舉了導電塑料的電磁屏蔽功能在航天領域的部分可能應用，并分析了各種應用的優缺點及進一步研究的方向。

綜合分析的結果認為，用導電塑料替代屏蔽電纜的金屬屏蔽層是目前最可行的應用之一。以某衛星為例，屏蔽導線約占整星電纜網總重的30%，若用密度為1.3 g/cm3的導電塑料代替目前的銅鍍銀金屬屏蔽層，可使屏蔽電纜減重34%，減重效果明顯。在替代設備金屬結構方面，國際上已有先例。例如意大利研制的大氣監測衛星（URSA MAIOR立方體衛星）的部分設備已經采用ABS 塑料外殼（見圖 4），并且通過了相應的環境測試[8]；Interpoint 公司的二次電源模塊外殼已經由高分子材料替代原有的金屬外殼。雖然高分子聚合物不具備抗輻照性能，但仍可應用于那些安裝在航天器內部、對抗輻照性能要求較低的設備。

表3 導電塑料的電磁屏蔽功能在航天領域的可能應用Table 3 Possible aerospace applications of conductive plastics

圖4 URSA MAIOR 立方體衛星內部產品的塑料結構Fig.4 The plastic structure of the URSA MAIOR cube satellite

2.2 塑料太陽電池

塑料太陽電池是針對導電塑料具有的半導體特性衍生出來的產品，其工作原理和硅太陽電池相同，即利用半導體p-n 結的光伏效應將光能轉換為電能，具有塑料本身的高柔性、低成本（每瓦發電成本是多晶硅電池的1/10）等特性。半導體塑料的材料一般有聚苯乙烯（PPV）及其衍生物、聚噻吩（PTH）及其衍生物和聚乙烯基咔哩（PVK）等。在制備過程中，半導體塑料以溶液的形式進行印制，和其他基層材料及金屬氧化物一起分層涂覆在絕緣塑料薄膜上，因此，太陽能塑料電池的生產過程極為簡單，并且生產出的塑料電池可以自由彎曲折疊。但在印制過程中，如何保證每一層電池印制時不污染到其下層材料十分困難，使得塑料太陽電池從單層結構向多層結構發展的道路極為緩慢，阻礙了其轉換效率的提高。

ESA 和NASA 均針對塑料太陽電池在航天領域的應用開展了研究。圖5所示為ESA 研制的超輕太陽電池陣[9]，其輸出功率為12.5 kW，總質量為10 kg（含結構），展開面積為40 m2。塑料太陽電池可制備成超薄柔性太陽電池陣，這使得面積很大的太陽電池陣在壓縮狀態下占用的航天器體積資源變得很小，可進一步降低航天器的發射成本，基于目前的運載能力，可滿足MW 級航天器的功率需求。表4給出了塑料太陽電池與傳統太陽電池的性能對比[10]。

圖5 由ESA 研制的超輕塑料太陽電池陣Fig.5 Development of ultra-light plastic solar array by ESA

表4 塑料太陽電池與傳統太陽電池性能對比Table 4 The difference between plastic solar cell and traditional solar cell

2.3 塑料鋰離子蓄電池

在手機、筆記本電腦越來越追求輕薄小巧的趨勢下，傳統的蓄電池已經無法滿足要求，塑料電池 應運而生。由高分子聚合物代替電池中的電極和電解液，形成被稱為第四代蓄電池的聚合物鋰離子蓄電池。這種新型電池的優勢在于體積小、重量輕、厚度薄，形狀設計靈活多變，具有較高的安全性能。聚合物鋰離子蓄電池的電解質是以固態或凝膠態存在的，內部不存在液態電解液。在某種原因導致溫度過高的情況下，聚合物電解質和電極材料發生反應，每克電解質釋放出的熱量為30 J，遠遠小于液態電解質150 J 的釋放熱量，不會使電池溫度升高到正極材料的燃點溫度，因此聚合物鋰離子蓄電池的安全性能相對于普通鋰離子蓄電池有很大的提高。另外固態或凝膠態電解質不存在泄漏問題，可用鋁塑復合薄膜代替傳統的不銹鋼材料作為蓄電池的外殼[11-12]，這將進一步減小蓄電池的質量。表5給出了不同種類蓄電池的性能對比。

表5 不同種類蓄電池的性能對比Table 5 The performance of different batteries

3 航天器塑料化的發展建議

隨著科學技術尤其是材料科學的迅猛發展，電子產品的塑料化已經成為一種發展趨勢，航天產品 也必然會朝著同一個方向發展。表6給出了國內航天器塑料化的發展建議，并從不同發展階段塑料化產品的用途、優缺點及可行性等方面進行了說明。

表6 國內航天器塑料化發展建議Table 6 The development layout of conductive plastics for aerospace applications

4 結束語

塑料化將使得航天器變得更加輕小、更容易加工、制造和發射成本更低并且可設計性更強。針對國內的現狀，建議從電纜網屏蔽層、小型設備的防靜電外殼作為切入點，進行導電塑料在航天器上的初步應用，并開展塑料太陽電池和塑料鋰離子蓄電池等新型產品的研究，為航天器的塑料化打基礎。

1）電磁屏蔽材料是導電塑料在地面最成熟也是最廣泛的應用，塑料電磁屏蔽層可替代航天器電纜網的金屬屏蔽層甚至設備的金屬外殼。其除了具有在重量、成本以及可塑性方面的優勢外，更重要的是其電磁屏蔽性能可調節，這將會讓航天器的電磁兼容性設計從粗放型管理轉變為精細化設計。

2）塑料太陽電池在柔性、重量和成本方面相比傳統太陽電池有著巨大的優勢。由塑料太陽電池制備的超薄柔性太陽電池陣，基于目前的運載能力已可滿足MW 級航天器的功率需求。提高塑料電池的光電轉換效率是進一步研究的主要方向。

3）塑料鋰離子蓄電池作為基于導電塑料電解質的蓄電池，除具有安全性、比能量方面的優勢外，其外形可靈活設計的特點對航天器的微小型化和進一步集成將起到促進作用。

（References）

[1]陳立軍, 方宏鋒, 張欣宇, 等.碳系填充型導電塑料的研究進展[J].合成樹脂及塑料, 2007, 24(2)∶78-51 Chen Lijun, Fang Hongfeng, Zhang Xinyu, et al.Progress in research of carbon-filled conductive plastics[J].China Synthetic Resin and Plastics, 2007, 24(2)∶78-51

[2]王光華, 董發勤, 司瓊.電磁屏蔽導電復合塑料的研究現狀[J].材料導報, 2007, 21(2)∶22-25 Wang Guanghua, Dong Faqin, Si Qiong.The present research state of electromagnetic shielding and conductive composite plastic[J].Materials Review, 2007, 21(2)∶22-25

[3]楊永芳, 劉敏江.導電高分子材料研究進展[J].工程塑料應用, 2002, 30(7)∶57-59 Yang Yongfang, Liu Minjiang.Advance in the research of conducting polymer[J].Engineering Plastics Application, 2002, 30(7)∶57-59

[4]Yang S Y, Chen C Y, Pang S H.Effects of conductive fibers and processing conditions on the electromagnetic shielding effectiveness of injection molded composites[J].Polymer Composites, 2002, 23(6)∶1003-1013

[5]杜仕國, 李文釗.聚合物基電磁屏蔽復合材料[J].磁性材料及器件, 2000, 31(5)∶40-44 Du Shiguo, Li Wenzhao.Polymer composites for shielding EMI[J].Journal of Magnetic Materials and Devices, 2000, 31(5)∶40-44

[6]Fox R T, Wani V.Conductive polymer composite materials and their utility in electromagnetic shielding applications[J].Applied Polymer Science, 2008, 107∶2558-2566

[7]Chung D D L.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials[J].Carbon, 2001, 39(2)∶27

[8]Santoni F, Piergentili F, Donati S, et al.Design and realization on an innovative deployable solar panel system for Cubesats[C]//63rdInternational Astronautical Congress, 2012-10∶412-418

[9]Reed K, Willenberg H J.Early commercial demonstration of space solar power using ultra- lightweight arrays[J].Acta Astronautica, 2009, 65∶1250-1260

[10]Piszczor M, O’Neill M Jr, Eskenazi M, et al.The stretched lens array square-rigger (SLASR) for space power[C]//4thInternational Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 2006-06∶30-35

[11]陳猛, 史鵬飛, 程新群.塑料鋰離子電池研究概況[J].電池, 2000, 30(3)∶129-132 Chen Meng, Shi Pengfei, Cheng Xinqun.Review of plasticizing lithium-ion battery[J].Battery Bimonthly, 2000, 30(3)∶129-132

[12]Zhang S S.A review on the separators of liquid electrolyte Li-ion battery[J].J Power Sources, 2007, 164(1)∶87-92